toolcraft: 3D-gedruckter Knochenbohrer verbessert Operationserfolg

Temperaturentwicklung bei geringem Vorschub

 

Metall-Laserschmelzen erobert Operationssaal

3D-gedruckter Knochenbohrer verbessert Operationsverfahren

 

Geor­gens­gmünd (D), 2017: Das Metall-Laser­schmel­zen kommt in vie­len Bran­chen zum Ein­satz. Die Vor­tei­le des Ver­fah­rens gegen­über der spa­nen­den Fer­ti­gung las­sen nicht nur im Motor­sport oder der Luft­fahrt Höchst­leis­tun­gen zu. Auch im Bereich der Medi­zin­tech­nik kön­nen damit weit­rei­chen­de Erfol­ge erzielt wer­den. So las­sen sich durch den Ein­satz eines addi­tiv her­ge­stell­ten Kno­chen­boh­rers Gewe­be­schä­den ver­hin­dern, die beim Ope­rie­ren mit einem kon­ven­tio­nell gefer­tig­ten Boh­rer ent­ste­hen kön­nen.

Hit­ze beim Ein­satz eines kon­ven­tio­nell her­ge­stell­ten Boh­rers ver­ur­sacht Gewe­be­schä­den

Für das For­schungs- und Ent­wick­lungs­vor­ha­ben „Ent­wick­lung eines Werk­zeu­ges für die spa­nen­de Kno­chen­be­ar­bei­tung zur Ver­mei­dung ther­misch indu­zier­ter Osteo­ne­kro­se“ (Wes­Ko) hat sich das Insti­tut für Fer­ti­gungs­tech­nik und Werk­zeug­ma­schi­nen (IFW) der Leib­niz Uni­ver­si­tät Han­no­ver an Tool­craft gewandt. Bei der spa­nen­den Bear­bei­tung von Kno­chen kann es auf­grund der ent­ste­hen­den Hit­ze zu Gewe­be­schä­den kom­men. Die­se tre­ten ab einer Tem­pe­ra­tur von ca. 48°C auf. Durch Küh­lung des Werk­zeu­ges besteht die Gefahr, dass Flu­id in die Wun­de gelangt. Daher ist der Ein­satz von kon­ven­tio­nel­len Werk­zeu­gen mit Küh­lung nicht mög­lich. So erfol­gen Ope­ra­tio­nen bis­lang ite­ra­tiv, d.h. das Boh­ren wird immer wie­der unter­bro­chen, um die Tem­pe­ra­tur mög­lichst nied­rig zu hal­ten.

 

Metall-Laser­schmel­zen erobert Ope­ra­ti­ons­saal – durch­gän­gi­ge Küh­lung mög­lich

Durch das Metall-Laser­schmel­zen ist die Her­stel­lung von Boh­rern mit inte­grier­ten Kühl­ka­nä­len mög­lich. So kann der Kühl­stoff inner­halb des Werk­zeu­ges

flie­ßen – ent­lang der Helix und wie­der zurück zur Werk­zeug­auf­nah­me – ohne in die Wun­de zu gelan­gen. Zusätz­lich zum Auf­bau de

s Boh­rers ent­wi­ckel­te Tool­craft einen nicht rotie­ren­den Vor­spin­de­lauf­satz mit Zu- und Abfluss­funk­ti­on für das Kühl­mit­tel. Ein ange­schlos­se­nes Kühl­mit­tel­re­ser­voir mit Pum­pe stellt die kon­ti­nu­ier­li­che Ver­sor­gung sicher. Als Vor­la­ge für den innen­ge­kühl­ten Pro­to­ty­pen dien­te ein her­kömm­li­cher Kno­chen­boh­rer mit einem Durch­mes­ser von 6 mm. Die Geo­me­trie muss­te erhal­ten blei­ben, um den Umstieg der Anwen­der zu erleich­tern. Zudem ist die medi­zi­ni­sche Ver­träg­lich­keit des Mate­ri­als unab­ding­bar. Ein Vor- und Rück­lauf sorgt für einen stän­di­gen Kühl­mit­tel­fluss. Die innen­lie­gen­den kreis­för­mi­gen Kühl­ka­nä­le mit einem Durch­mes­ser von 1,2 mm lei­ten die ther­mi­sche Ener­gie weg von der Werk­zeug­schnei­de. Um die Kühl­mit­tel­zu- und -abfuhr zu ermög­li­chen, wur­den Hori­zon­talboh­run­gen ein­ge­bracht, die den Kühl­kreis­lauf mit dem Boh­rer v

erbin­den. Zur Fixie­rung des Ver­tei­lers ist ein Ein­stich für einen Siche­rungs­ring vor­han­den. Eine wei­te­re Her­aus­for­de­rung stell­te das Abdich­ten der bei­den Kam­mern im Ver­tei­ler dar.

 

Schicht für Schicht zum Erfolg

Zunächst defi­nier­te das Pro­jekt­team die Kühl­leis­tung hin­sicht­lich Durch­fluss­vo­lu­men, Tem­pe­ra­tur und Wär­me­ka­pa­zi­tät des Kühl­me­di­ums. Danach ent­wi­ckel­ten sie eine Metho­dik zum Ein­brin­gen eines geschlos­se­nen Kühl­kreis­laufs in das Werk­zeug­sub­strat unter Erhalt der Werk­zeugsta­bi­li­tät und der Pro­zess­fä­hig­keit. Als Mate­ri­al wur­de der bio­kom­pa­ti­ble Werk­stoff 1.4404 gewählt. Anschlie­ßend folg­te die Pla­nung der geo­me­tri­schen Beschaf­fen­heit des Boh­rers sowie der innen­lie­gen­den Kühl­ka­nä­le mit­tels CAD- und Simu­la­ti­ons­soft­ware. Hier­bei war das Unter­neh­men Schmidt WFT behilf­lich. Nach der Her­stel­lung des Boh­rers im 3D-Druck­ver­fah­ren und der zer­span­tech­ni

Temperaturentwicklung bei geringem Vorschub

schen Nach­be­ar­bei­tung erfolg­ten die Ein­satz­un­ter­su­chun­gen durch das IFW. Unter dem Ein­satz von Was­ser als Kühl­mit­tel bohr­ten sie in Kunst- und Rin­der­kno­chen bei gleich­zei­ti­ger Über­wa­chung der Pro­zess­tem­pe­ra­tur im Kno­chen. Dabei nah­men sie Refe­renz­tem­pe­ra­tur­mes­sun­gen mit aus­ge­schal­te­ter und ein­ge­schal­te­ter Werk­zeug­küh­lung sowie grö­ße­rem und gerin­ge­rem Vor­schub vor.

 

3D-gedruck­ter Kno­chen­boh­rer ver­bes­sert Ope­ra­ti­ons­ver­fah­ren

Die Ergeb­nis­se der Bohr­un­ter­su­chun­gen zei­gen eine signi­fi­kan­te Tem­pe­ra­tur­re­du­zie­rung (um bis zu 70%) mit dem

Temperaturentwicklung bei hohem Vorschub

3D-gedruck­ten Bohr­werk­zeug. Gerin­ge Vor­schü­be kön­nen nicht mehr zu erhöh­ten Tem­pe­ra­tu­ren füh­ren, da die Innen­küh­lung die Tem­pe­ra­tur­ent­wick­lung

aus­gleicht. Somit beein­flusst die Wahl eines geeig­ne­ten Werk­zeu­ges maß­geb­lich den Erfolg einer Ope­ra­ti­on am Kno­chen. Die Pro­ble­ma­tik der Kno­chen­schä­di­gung durch zu hohe Pro­zess­tem­pe­ra­tu­ren besteht bei fast allen Kno­chen­be­ar­bei­tungs­ope­ra­tio­nen. Daher könn­te die Tech­no­lo­gie auch bei der Her­stel­lung von bei­spiels­wei­se Säge­werk­zeu­gen Anwen­dung fin­den.

Posted in PR MItglieder.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *